Synchrotronstrahlungs-Computertomographie (SX-CT): Rekonstruktion und Querschnitt eines kleinen Stückes eines Diesel-Partikel-Filters (Größe der 3D Darstellung ca. 2 mm)
Quelle: BAM, Fachbereich Mikro-ZfP
Während Dieselfahrzeuge zunehmend verdrängt werden sollen, besteht der einzige nachhaltige Weg, sie noch zu nutzen darin, strengere Vorschriften zu erlassen, die immer weniger Emissionen zulassen. Dieselpartikelfilter (DPF) ermöglichen es, die Abgase von PKWs und LKWs von Ruß und Asche zu "reinigen", bevor sie in die Atmosphäre emittiert werden. Sie sind daher die Wächter unserer Umwelt, zumindest für die nächsten Jahre.
Die BAM-Fachbereiche Mikro-ZfP und Strukturanalytik haben untersucht, wie sich die Anordnung der Poren in solchen Filtern auf ihre mechanischen (Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit) und thermischen Eigenschaften (Wärmeausdehnung) auswirkt. In der BAM stehen modernste Charakterisierungstechniken sowie das nötige Knowhow zur Verfügung, um diese Materialien zur untersuchen. Insbesondere die Röntgen-Computertomographie (XCT) und die Röntgen-Refraktionsradiographie (XRRR), die beide im Labor und am Synchrotron BESSY II, HZB, Berlin, eingesetzt werden, sind besonders leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung solch komplizierter Materialien.
Die poröse Struktur eines DPF kann durch Mikroskopiebilder (Querschnitte) sichtbar gemacht werden, aber die Quantifizierung der Eigenschaften einer solchen porösen Struktur (Verbindung der Poren, Orientierung, Größenverteilung) kann nur durch dreidimensionale XCT-Daten und geeignete Röntgenrefraktionstechniken erfolgen. XRRR wurde im Fachbereich Mikro-ZfP entwickelt und perfektioniert. Sie ermöglicht die Detektion und Quantifizierung der Menge winziger Defekte (mit einer Größe von mehr als 1 nm), die sonst nicht zerstörungsfrei, sondern nur durch langwierige rasterelektronenmikroskopische Arbeiten beobachtet werden können. Die XRRR ermöglichte die Quantifizierung der Orientierung der porösen Struktur in verschiedenen DPF-Materialien, wobei auf Analogien und Unterschiede zwischen ihnen hingewiesen wurde.
Die Orientierung der Porosität ist für die Funktionalität der Materialien von extrem hoher Bedeutung, da sie nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die Filtrationseffizienz des Partikelfilters bestimmt: Wenn die Poren die richtige Größenverteilung haben, filtern sie gut; wenn sie die richtige Orientierung haben, sorgen sie dafür, dass das Material die Wärme gut ableitet (solche Filter arbeiten bei 800°C). Eine erweiterte Analyse der Röntgenbeugungsdaten offenbarte die Orientierung der Kristalle, aus denen das DPF Material besteht. Elektronenmikroskopische Untersuchungen bestätigten die Ergebnisse. Die Kombination all dieser Techniken ermöglichte eine bahnbrechende Erkenntnis: Die Kristallorientierung im DPF Festmaterial ist eng mit der Orientierung der Poren (und mit dem Produktionsprozess) verbunden. Die Korrelation ist jedoch für jedes Material, je nach seiner Zusammensetzung, unterschiedlich. Durch die Aufdeckung dieser Zusammenhänge wird die Optimierung der funktionellen und physikalischen Eigenschaften jedes DPF-Typs einfacher.
The correlation between porosity characteristics and the crystallographic texture in extruded stabilized aluminium titanate for diesel particulate filter applications
Cong Chen, Bernd R. Müller, Carsten Prinz, Julia Stroh, Ines Feldmann, Giovanni Bruno
erschienen im Journal of the European Ceramic Society, Vol. 40, pages 1592-1601
BAM, Fachbereich Strukturanalytik, Fachbereich Mikro-ZFP